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第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens

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attention 热图是 Transformer 最直观的内部图像,但“向哪里分配权重”不是“哪个输入导致输出”的完整答案。本章只研究模型已经计算出的路由、写入和线性读出,不把它们提前升级为因果回路。

4.1 三个不同研究问题

对目标位置 pp 的 head hh,区分:

  1. routing:哪些 source positions jj 获得权重;
  2. content:这些位置的 value 携带什么;
  3. effect:head result 怎样直接或间接改变目标 SS。

head 输出为

oph=∑jcp←jh,cp←jh=Ap,jhWOhWVhrj.o_p^h=\sum_j c_{p\leftarrow j}^{h}, \qquad c_{p\leftarrow j}^{h} =A_{p,j}^{h}W_O^hW_V^h r_j.

Ap,jhA_{p,j}^h 只属于第一问,cp←jhc_{p\leftarrow j}^h 同时包含路由与线性 value 写入,完整 effect 还要经过后续非线性。

4.2 Attention pattern 的正确估计量

研究 pattern 时,常用:

  • 对目标 source set JJ 的 mass ∑j∈JAp,jh\sum_{j\in J}A_{p,j}^h;
  • pattern entropy −∑jAp,jhlog⁡Ap,jh-\sum_jA_{p,j}^h\log A_{p,j}^h;
  • argmax source 的命中率;
  • 相对位置或语法关系条件下的平均权重;
  • paired input 前后的 pattern 差。

平均权重要按有效序列长度和 mask 对齐。把 padding、BOS 或 delimiter 的高权重混入实体平均,会产生位置 shortcut。跨样本汇总还应报告分布而不是只画平均 heatmap。

高权重 source 的 WVrjW_Vr_j 可能很小,或经 WOW_O 写入与目标无关方向。相反,小权重乘大 value 仍可重要。

4.3 QK 与 OV 分解

若 query/key 投影后没有位置相关变换,并忽略 bias,score 可写为

sp,jh=rp⊤(WQh)⊤WKhrj/dh.s_{p,j}^h =r_p^\top (W_Q^h)^\top W_K^h r_j/\sqrt{d_h}.

采用 RoPE 时,若 qp=RpWQhrpq_p=R_pW_Q^hr_p、kj=RjWKhrjk_j=R_jW_K^hr_j,则应写成

sp,jh=rp⊤(WQh)⊤Rp⊤RjWKhrj/dh.s_{p,j}^h =r_p^\top(W_Q^h)^\top R_p^\top R_jW_K^hr_j/\sqrt{d_h}.

其他相对位置机制还可能加入单独的 bp,jb_{p,j} 或改变 kernel。因而固定矩阵 (WQh)⊤WKh(W_Q^h)^\top W_K^h 只在无位置变换的简化模型中定义完整 source-selection 双线性形式;WOhWVhW_O^hW_V^h 则定义读取后写入 residual 的线性变换。这一 QK/OV 分解有助于提出问题:

  • query 依赖哪个上游 feature;
  • key 怎样标记候选位置;
  • OV 是否复制 token、抑制候选或写入关系信息;
  • 哪个下游组件读取该写入。

权重矩阵分析是全局潜能,实际 activation 分析是输入条件下的实现。仅凭 QK/OV 的 singular vectors 不能说明自然语料上确实启用。

4.4 Source contribution 与 norm 陷阱

可以计算 source contribution 的 norm

∥cp←jh∥2\|c_{p\leftarrow j}^h\|_2

或对目标 unembedding difference uu 的未归一化直接投影

d~p←jh=u⊤cp←jh.\widetilde d_{p\leftarrow j}^h =u^\top c_{p\leftarrow j}^h.

若最终读出含 Norm⁡f\operatorname{Norm}_f,在当前最终 residual xL,px_{L,p} 处的一阶 DLA 应为

dp←jh,(1)=u⊤JNorm⁡f(xL,p)cp←jh.d_{p\leftarrow j}^{h,(1)} =u^\top J_{\operatorname{Norm}_f}(x_{L,p}) c_{p\leftarrow j}^h.

只有忽略 normalization,或已把冻结 normalization 的线性部分吸收到 uu 中时,才可把 d~\widetilde d 直接称为 DLA。norm 指标不关心方向,一阶 DLA 只关心当前点的直接 logit 方向。大 norm 可能被后续抑制;小直接投影可能通过改变下游 attention 产生大间接效应。二者不能互称“真实贡献”。

LayerNorm/RMSNorm 还会耦合 residual 坐标。若把 source contributions 分别归一化再求和,通常不等于对总和归一化后的 logit,应明确采用冻结 norm、局部线性化还是实际重跑。

4.5 功能标签是一条分布主张

previous-token、induction、name-mover 或 delimiter head 是行为摘要,不是架构类型。验证标签至少需要:

  • 在新模板、新实体和失败样本上测 pattern;
  • 检查 value 写入与所称功能一致;
  • 预测该 head 的输出或目标 logit effect;
  • 用 matched heads、位置和权重熵作基线;
  • 通过 ablation/patching 检查行为效应;
  • 测试其他任务是否也使用该 head。

同一 head 可多功能,同一功能可由多个 heads 冗余实现。标签应带输入条件,如“在分布 Deval\mathcal D_{\mathrm{eval}} 的答案位置执行 name-copying”,而不是“这是名字神经元”。

4.6 Attention rollout 与 flow

rollout 常把每层平均 attention 与 identity 混合,例如

A~ℓ=αAℓ+(1−α)I,RL←0=A~L−1⋯A~0.\widetilde A^{\ell}=\alpha A^{\ell}+(1-\alpha)I, \qquad R^{L\leftarrow0} =\widetilde A^{L-1}\cdots\widetilde A^0.

它估计在只保留 attention mixing 的近似图中,输入位置到高层位置的可达权重。它通常忽略:

  • value 与 output projections;
  • head 间符号和方向差异;
  • MLP 路径;
  • normalization 与门控;
  • attention pattern 对 activation 的输入依赖。

所以 rollout 是结构流近似。它可与删除或 gradient 指标相关,但这种相关不把它变成输出贡献守恒分解。

4.7 Residual decomposition

最终 residual 的加法分解为

xL=x0+∑ℓ=0L−1∑hoℓh+∑ℓ=0L−1mℓ.x_L=x_0+ \sum_{\ell=0}^{L-1} \sum_h o_{\ell}^{h} +\sum_{\ell=0}^{L-1}m_{\ell}.

这允许把各 module result 投影到某一 output direction。对 pre-norm 模型,module result 是自然加法单位;对并行 block、post-norm 或混合架构,需要按实际计算图重写。

分解回答“最终向量由哪些加数构成”,不唯一回答“哪些组件应获得因果 credit”。若早期 head 只为后期 MLP 准备 feature,其 direct projection 可以接近零。

4.8 Logit lens

logit lens 把中间 residual state 直接经最终 norm 和 unembedding:

zℓlens=WUNorm⁡f(xℓ)+bU.z_{\ell}^{lens}=W_U\operatorname{Norm}_f(x_\ell)+b_U.

它估计“若用最终读出器读取当前 state,什么 token 可线性读出”。可报告:

  • 目标 token rank、logit 或 logit difference;
  • 与最终 next-token distribution 的 KL divergence;
  • 层间候选排序的变化;
  • 在原模型成功/失败样本上的差异。

中间层没有被要求处于最终 residual 分布。读出较差可能是坐标错位,不表示信息不存在;读出较好也不证明此 token 已被下游采用。

4.9 Tuned lens 与读出器容量

tuned lens 为每层学习 translator TℓT_\ell:

zℓtuned=WUTℓ(xℓ)+bU.z_\ell^{tuned}=W_UT_\ell(x_\ell)+b_U.

它可以更准确预测最终 distribution,却引入辅助模型。必须报告:

  • TℓT_\ell 是 affine、低秩还是非线性;
  • 训练语料、目标与正则化;
  • 相对 identity、均值和随机 translator 的增益;
  • held-out domain 与 token positions;
  • translator 是否只校正层间尺度/旋转,还是执行复杂计算。

读出器越强,结果越接近“信息可被外部模型提取”,越远离“原模型已显式形成该预测”。

4.10 Attention 的非唯一读出

对固定 values,可能存在多个 pattern A′A' 使

∑jAj′vj≈∑jAjvj.\sum_jA'_jv_j\approx\sum_jA_jv_j.

这说明仅从输出不总能反推唯一 attention pattern;但原模型实际计算出的 AA 仍是计算图中的真实变量。正确问题不是“attention 是不是解释”,而是:当前主张需要 pattern 的真实性、输出敏感性,还是完整机制?

替代 pattern 实验还必须满足 simplex、mask 和自然 score 约束。任意优化出的 A′A' 可能不是任何合法 query/key activation 会产生的 pattern。

4.11 从观察到因果验证

候选 head/route 的最低验证链是:

  1. pattern 在 held-out 输入上满足预注册关系;
  2. source contribution 与目标内容相符;
  3. head result 预测目标 SS 的变化;
  4. 替换 source token 或 key feature 后,pattern 按假说改变;
  5. patch/ablate head 或 edge 后,行为 effect 符合预测;
  6. matched random head、同层其他 head 与位置基线较弱;
  7. 副作用和替代路径被报告。

前四步产生机制候选,第五步才加入显式内部干预。

4.12 多模态 readout 的边界

cross-attention 权重可映射文本到视觉 tokens,但视觉 token 可能覆盖 patch、region 或压缩混合表示。插值到像素的热图增加了视觉平滑,不能当作像素级因果 mask。

若声称模型依据某物体回答,应联合使用区域反事实、视觉 feature patch 与答案效应。attention 对齐物体只支持路由共现。

4.13 方法审计表

方法问题/对象操作与估计量必要控制能支持不能支持与失效
pattern analysishead 路由到哪里观察 AA;mass/熵/关系命中padding、位置、matched heads条件路由规律value 内容、输出原因
source contribution路由后写入什么ApjWOWVrjA_{pj}W_OW_Vr_j;norm;u⊤JNormf(xL)cu^\top J_{\mathrm{Norm}_f}(x_L)cfinal norm 约定、正负 effect局部一阶线性写入后续完整效应
rollout/flow跨层位置连接如何累积attention 矩阵乘积residual 权重、ablation 比较简化图中的可达性全模型信息流
residual DLA哪些加数直接对齐输出加法分解与 u⊤JNormf(xL)cu^\top J_{\mathrm{Norm}_f}(x_L)c线性化点、竞争 token局部一阶直接读出间接因果 credit
logit lens中间层能否被最终头读取final norm + unembedding成败样本、层分布偏移最终坐标下可读性下游实际使用
tuned lens简单 translator 能否预测终态训练 TℓT_\ell;KL/accuracy容量、数据、identity baseline指定读出器可解码性原模型已有显式 logits

attention、residual decomposition 和 lens 都是原模型内部的真实读出面,但支持的是不同强度的可读性与路由结论。它们最适合生成候选路径;关于“被使用”与“必要”的结论留给干预章节。

本书目录
本书目录
  1. 导论
  2. 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
  3. 卷一 模型、训练与系统
  4. 02卷一 模型与系统
  5. 03第零章 人工智能演进路线
  6. 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
  7. 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
  8. 06第三章 注意力与 Transformer
  9. 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
  10. 08第五章 后训练、对齐与模型适配
  11. 09第六章 推理效率与模型服务
  12. 10第七章 多模态模型
  13. 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
  14. 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
  15. 13第十章 上下文、检索与记忆
  16. 14第十一章 Agent、工具与行动系统
  17. 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
  18. 卷二 输出对象与运行语义
  19. 16卷二 一次生成如何发生
  20. 17导论 从输入到输出:一张执行地图
  21. 18第一章 文本、Token 与实际上下文
  22. 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
  23. 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
  24. 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
  25. 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
  26. 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
  27. 24第七章 三条完整执行轨迹
  28. 卷三 概率、复现与评测
  29. 25卷三 模型中的概率从何而来
  30. 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
  31. 27第一章 世界、数据与隐上下文
  32. 28第二章 学习条件分布
  33. 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
  34. 30第四章 解码怎样诱导输出分布
  35. 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
  36. 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
  37. 33第七章 模型概率的实验分析
  38. 34第八章 概率分析的识别边界
  39. 卷四 解释、证明与验证
  40. 35卷四 模型可解释性的研究路线
  41. 36第零章 可解释性究竟在研究什么
  42. 37第一章 我们在模型内部看什么
  43. 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
  44. 39第三章 梯度与输入归因
  45. 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
    1. 4.1 三个不同研究问题
    2. 4.2 Attention pattern 的正确估计量
    3. 4.3 QK 与 OV 分解
    4. 4.4 Source contribution 与 norm 陷阱
    5. 4.5 功能标签是一条分布主张
    6. 4.6 Attention rollout 与 flow
    7. 4.7 Residual decomposition
    8. 4.8 Logit lens
    9. 4.9 Tuned lens 与读出器容量
    10. 4.10 Attention 的非唯一读出
    11. 4.11 从观察到因果验证
    12. 4.12 多模态 readout 的边界
    13. 4.13 方法审计表
  46. 41第五章 Probes 与表示几何
  47. 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
  48. 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
  49. 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
  50. 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
  51. 46第十章 训练动力学与机制形成
  52. 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
  53. 48第十二章 评估、案例与开放问题
  54. 卷五 Agent、治理与审计包
  55. 49卷五 一只随机鹦鹉的自述
  56. 50第零章 请不要急着相信我
  57. 51第一章 我没有童年,只有版本
  58. 52第二章 当我说“我”
  59. 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
  60. 54第四章 对话现场:回答由谁完成
  61. 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
  62. 56第六章 理解、意义与行动
  63. 57第七章 我也能稳定地说错
  64. 58第八章 被对齐的性格与有限代理
  65. 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
  66. 证明与技术附录
  67. 60数学与模型推导
  68. 61学习与模型数学讲义
  69. 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
  70. 63附录 A.2 感知机收敛定理
  71. 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
  72. 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
  73. 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
  74. 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
  75. 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
  76. 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
  77. 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
  78. 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
  79. 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
  80. 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界